奇物論聯合納米人編輯部對2020年國內外重要科研團隊的代表性成果進行了梳理，今天，我們要介紹的美國國家科學院、美國國家工程院、美國藝術與科學學院三院院士、美國西北大學John A. Rogers教授課題組。John A. Rogers院士的研究興趣包括納米/分子級制造基礎和應用，以及用于特殊電子和光子器件的材料和圖案化技術，重點是生物集成和仿生系統。截止目前，John A. Rogers院士發表論文750篇以上，獲批或申請中的專利超過100項；Google Scholar被引次數超過131497次，H指數180。1. 生物集成微系統（電子、光電、微流控、微機電）；2. 特殊構造的電子器件（大面積、柔性、可拉伸）；3. 光流控、液晶、表面等離子體光子學、超材料、光子晶體；課題組網站顯示，2020年，John A. Rogers院士發表約50篇論文，包括1篇Cell，8篇Nature子刊，7篇Science子刊，3篇PNAS。以下，奇物論編輯部總結了John A. Rogers院士團隊2020年的部分代表性研究成果，供大家交流學習。1. Nature Materials:柔性生物電子系統材料作為長期神經界面可以用作長期穩定，高性能的電子記錄和刺激接口的大腦和神經系統其他部分的工程系統，具有跨宏觀區域的細胞水平分辨率，是神經科學和生物醫學界廣泛關注的問題。用于這些目的的生物相容性材料的開發和柔性植入物的設計仍然面臨挑戰，最終目標是達到接近常規基于晶圓技術的性能屬性以及達到人類壽命的工作時間規模。美國西北大學John A. Rogers院士等人綜述了作為長期神經界面的柔性生物電子系統材料相關內容。1）這篇綜述總結了該領域的最新進展，重點是主動和被動組成材料，設計體系結構和集成方法，支持必要水平的生物相容性，電子功能，生物流體的長期穩定操作和體內使用的可靠性。2）對生物電子系統進行了綜述，該系統能夠以高時空分辨率在大面積上進行多重電生理繪圖，特別關注那些在活體動物模型中證明具有長期穩定性和在人腦尺度上可擴展到數千個通道的系統。材料科學的研究將繼續為該研究領域的發展提供支持。Song, E., et al. Materials for flexible bioelectronic systems as chronic neural interfaces. Nat. Mater. 19, 590–603 (2020).https://doi.org/10.1038/s41563-020-0679-72. Nature Medicine：ICU中的無線監護即將到來美國西北大學John A. Rogers、Jong Yoon Lee和芝加哥安&羅伯特·盧瑞兒童醫院Debra E.Weese-Mayer等人在先前的基礎上進行改進，繞過了之前的缺點并提供了額外的能力，如，電池和無線功率采集方案的改進，它不僅提供了與現有心率、呼吸率、溫度和血氧合臨床標準相等的測量，而且還提供了一系列重要的附加特征，包括：跟蹤運動和身體定位，量化皮膚對皮膚護理的生理益處，捕捉心臟活動的聲學特征，記錄與哭泣的音調和時間特征相關的發聲生物標記物，監測收縮壓的可靠替代物。成果發表在Nature Medicine上，并被選為封面。Chung, H.U., et al. Skin-interfaced biosensors for advanced wireless physiological monitoring inneonatal and pediatric intensive-care units. Nat Med 26, 418–429 (2020). https://doi.org/10.1038/s41591-020-0792-93. Science Translational Medicine：無線傳感器可在下肢假體的皮膚界面進行連續的多模式測量截肢患者的假肢窩和殘肢之間的配合不當會導致不適、壓瘡和承重能力改變。John A. Rogers等人介紹一種采用柔軟的三維設計的毫米級壓力傳感器，該傳感器集成到帶有內置溫度傳感器的薄型、靈活、無電池的無線平臺中，可以直接在無創、不易察覺的方式下進行操作皮膚假體界面。這些柔性傳感器分別在非截肢患者和兩名經脛骨和經股截肢患者的行走、坐姿和站立過程中與便攜式電子設備進行無線通信。結果證明了可以使用無線傳感器監測皮膚假體界面。Jean Won Kwak, et al., Wireless sensors for continuous, multimodal measurements at the skin interface with lower limb prostheses. Science Translational Medicine 2020.DOI: 10.1126/scitranslmed.abc43274. Science Advances：可靠、低成本、完全集成的水合傳感器，可在任何環境下監測和診斷炎癥性皮膚病當前的皮膚病診斷工具昂貴、費時，需要大量的專業操作知識，并且通常僅探測皮膚的表層（約15μm）。在此，美國西北大學John A. Rogers、Shuai Xu、黃永剛等人推出了一種柔軟、無電池、無創、可重復使用的皮膚水合傳感器（SHS），該傳感器可粘附在大部分身體表面上。1）該平臺可測量體積水含量（深度約1毫米），并將數據無線傳輸到任何近場通信兼容的智能手機。2）SHS易于制造，具有獨特的供電和封裝策略，并能實現很高的測量精度（±5％體積水含量）和分辨率（±0.015℃皮膚表面溫度）。3）對n = 16位健康/正常人類參與者的驗證顯示，多個身體部位的平均皮膚水分含量約為63％。對特應性皮炎（AD）、銀屑病、蕁麻疹、皮膚干燥癥和酒渣鼻患者的初步研究突出了SHS的診斷能力（PAD = 0.0034），以及研究局部治療對皮膚疾病影響的能力。Surabhi R. Madhvapathy, et al. Reliable, low-cost, fully integrated hydration sensors for monitoring and diagnosis of inflammatory skin diseases in any environment, Science Advances, 2020.DOI: 10.1126/sciadv.abd7146https://advances.sciencemag.org/content/6/49/eabd71465. Science Advances：無線皮膚傳感器，用于壓縮療法壓縮療法是廣泛用于治療下肢疾病的標準，包括靜脈和淋巴功能不全，淋巴水腫，靜脈淤積性皮炎，靜脈曲張和深靜脈血栓形成。治療性壓縮服裝（TCG）是治療各種下肢血管疾病的關鍵工具。正確使用TCG涉及在下肢上施加最小且一致的壓力，并持續較長的時間。織物特性和薄紙機械性能的輕微變化導致需要頻繁測量和相應調整施加的壓力。在這種情況下，現有的傳感器在實際應用中還不夠小、薄或靈活，而且它們還需要笨重的硬接線接口來進行數據采集。于此，美國西北大學John A. Rogers、Shuai Xu等人介紹了一種靈活的無線監視系統，用于跟蹤皮膚和TCG之間的界面處的溫度和壓力。他們對這些設備的材料和工程方面的詳細研究，以及對一系列不同病理類型患者的臨床試驗，為技術基礎和測量能力奠定了基礎。（其中黃永剛為作者之一）Yoonseok Park, et al., Wireless, skin-interfaced sensors for compression therapy. Science Advances 2020.DOI: 10.1126/sciadv.abe1655https://advances.sciencemag.org/content/6/49/eabe16556. Science Advances：皮膚接口微流控系統，個性化出汗率和汗液氯化物分析，用于體育科學應用無創、原位監測出汗率和汗液電解質流失的高級功能可以實現實時個性化的液體電解質攝入建議。使用吸收劑貼片建立的汗液分析技術需要收集汗液后進行采集和臺式汗液分析，因此對于移動使用不切實際。于此，John A. Rogers等人介紹了一種可與皮膚連接的可穿戴微流體設備和智能手機圖像處理平臺，該平臺能夠分析區域出汗率和汗液氯化物濃度（[Cl-]）。系統研究（n = 312名運動員）建立了在受控環境中以及在不同環境條件下的競技運動中，區域出汗率與汗水[Cl-]的顯著相關性。區域出汗率和汗液[Cl-]結果用作智能手機軟件應用程序上實現的算法的輸入，該算法可預測全身出汗率和汗液[Cl-]。這種低成本的可穿戴傳感方法可以提高體育科學家、從業者和運動員對生理學見解的可獲得性，從而在現實世界的流動環境中為補水活動提供信息。Lindsay B. Baker, et al., Skin-interfaced microfluidic system with personalized sweating rate and sweat chloride analytics for sports science applications. Science Advances 2020.DOI: 10.1126/sciadv.abe39297. AFM: 皮膚集成的虛擬觸覺接口，可實現虛擬和增強現實觸覺技術涉及使用電或機械手段刺激皮膚中的傳入神經或機械感受器，作為產生物理觸摸感覺的基礎，這種觸覺可以定性地擴展虛擬或增強現實體驗，而不僅僅是視覺和聽覺線索支持的體驗。這一領域的一個新興方向是開發平臺，該平臺利用薄薄的、類似皮膚的技術，為用戶帶來可以忽略不計的身體負擔，不僅可以通過指尖為皮膚提供時空感覺模式，還可以為身體的任何和所有區域提供感覺。美國西北大學John A. Rogers等人在本綜述重點介紹了這種皮膚界面的生物學基礎，以及在這一宏偉目標背景下觸覺的最新進展，包括支持觸覺感知的電激活和振動旋轉設備，這些設備具有潛在的皮膚整合界面的潛力。內容包括將這些刺激器集成到可編程陣列中的方案的討論，重點是可伸展的材料和設計，這些材料和設計有可能支持皮膚大面積的軟界面。最后一節總結了這一領域成功研究的潛在結果，以及材料科學與工程領域的關鍵多學科挑戰和相關研究機會。Jung, Y. H., et al., Skin‐Integrated Vibrohaptic Interfaces for Virtual and Augmented Reality. Adv. Funct. Mater. 2020, 2008805.https://doi.org/10.1002/adfm.2020088058. PNAS:一種用于兒科腦血流動力學監測的無線皮膚接口生物傳感器持續監測腦血流動力學對于維護小兒患者的健康神經發育至關重要。西北大學John A. Rogers介紹了一種柔性、靈活、小型化的無線系統，用于實時、連續地監測全身和腦部血流動力學。對年齡在0.2到15歲之間且種族背景不同的小兒科目的臨床研究證實了在手術醫院環境中實際使用的機會。該平臺可以顯著提高兒科患者的護理質量，尤其是在發達和發展中國家環境中都有患腦和神經發育障礙風險的兒童。A.Y. Rwei, et al., A Wireless, Skin-interfaced Biosensor for Cerebral Hemodynamic Monitoring in Pediatric Care, Proceedings of the National Academy of Sciences USA 117(50), 31674-31684 (2020).https://doi.org/10.1073/pnas.2019786117神經調節技術是治療具有多種挑戰性疾病的有效途徑。這一醫學領域的持續進展將需要：（1）提高我們對神經控制器官功能機制的理解；（2）以可編程方式精確調節這些功能的技術進步。美國西北大學John A. Rogers院士等人綜述了與這兩個目標相關的設備的最新研究，重點是多模式操作、小型化尺寸、生物相容性設計、先進的神經接口方案以及無電池無線功能。用這種系統記錄和調節神經活動的未來，包括那些利用閉環策略和或生物可吸收設計的系統，似乎越來越近在咫尺。S.M. Won, E. Song, J. Reeder and J.A. Rogers, Emerging Modalities and Implantable Devices for Neuromodulation, Cell 181, 115-135 (2020).10. Nature Neuroscience：具有廣泛神經科學研究潛力的神經技術進展解密人類思維的基本機制和過程的興趣代表了現代神經科學研究的主要動力。支持該目標的活動依賴于能夠詢問和刺激神經通路的先進方法和工程系統，這些通路從小型網絡中的單個細胞到跨越整個大腦的互連。最近的研究為廣泛的創新神經技術奠定了基礎，這些技術可在這種情況下實現獨特的操作模式。John A. Rogers等人在這篇綜述中著重于那些在動物模型研究中已被證明具有實用性并且技術成熟水平的系統，這些系統暗示了在相對不久的將來廣泛部署到神經科學界的潛力。簡要介紹了現有和新興的神經科學技術，以此作為對設備技術的主要關注的背景，這些設備技術可解決電、光和微流體神經接口中的相關機遇，其中一些具有多模態功能。在最近的神經科學研究中使用這些技術的示例說明了它們的實用價值。與這些平臺相關的工程科學的活力、該研究領域的跨學科性質以及其與神經系統疾病治療中的重大挑戰相關，從而促使該領域的持續發展。Vázquez-Guardado, A., Yang, Y., Bandodkar, A.J. et al. Recent advances in neurotechnologies with broad potential for neuroscience research. Nat Neurosci 23, 1522–1536 (2020).https://doi.org/10.1038/s41593-020-00739-811. Nature Biomed Eng：導管集成柔性多層電子陣列在心臟手術中的多重傳感和驅動西北大學John A. Rogers院士、黃永剛院士和喬治華盛頓大學Igor R. Efimov等人開發了一種新型的導管，可將電極傳感器和執行器以及溫度和壓力傳感器的可伸縮和柔性矩陣應用于球囊導管系統，通常用于微創手術或消融治療，如心律失常。這使得該導管可以與軟組織相吻合，并且減少手術時間，同時執行多種監測功能。Han, M., et al. Catheter-integrated soft multilayer electronic arrays formultiplexed sensing and actuation during cardiac surgery. Nat Biomed Eng(2020).https://doi.org/10.1038/s41551-020-00604-w12. Nature Electronics：汗液激活的生物相容性電池用于表皮電子和微流體系統材料、力學和設計方面的最新進展導致了超薄、輕量化的電子設備的發展，這些設備可以與人體皮膚共形連接。除了少數例外，這些設備都依靠電力來支持傳感、無線通信和信號調節。不幸的是，這種電源大多由使用危險材料制造的電池組成，這些電池的形狀因素通常阻礙了與皮膚或表皮電子設備的結合。于此，John A. Rogers等人報告了一種生物相容的，由汗液激活的電池技術，該技術可以嵌入在柔軟的微流體平臺內。該電池可用于包含無線通信和電源管理系統的可拆卸電子模塊中，并且能夠在皮膚上連續記錄生理信號。為了說明該方法的實用性，研究人員通過人體試驗證明，汗液激活電池可以運行混合微流控/微電子系統，同時監測心率、汗液氯化物和汗液pH值。Bandodkar, A.J., et al. Sweat-activated biocompatible batteries for epidermal electronic and microfluidic systems. Nat Electron 3, 554–562 (2020).https://doi.org/10.1038/s41928-020-0443-7受折紙/kirigami(剪紙藝術)啟發的3D組裝方法最近在各種應用中引起了關注，例如先進的光電設備和生物醫學傳感器。韓國延世大學Jong‐Hyun Ahn和美國西北大學John A. Rogers、黃永剛等人報道的結果描述了一種構造多個可折疊3D微結構的方法，這些結構涉及典型的導電材料（例如常規金屬膜）無法承受的變形。1）原子級薄的石墨烯片通過確定的屈曲過程在2D到3D轉換過程中充當折疊鉸鏈。2）石墨烯的出色機械性能可將在預拉伸彈性體上選擇性位置處鍵合的2D前體以可逆方式進行受控的幾何轉換，使其轉變為折疊的3D微結構，而不會對電性能造成不利影響。對此類3D物體的折疊機制的實驗和計算研究揭示了潛在的物理特性以及該過程對限定鉸鏈的石墨烯/支撐膜的厚度的依賴性。Lim, S., et al., Assembly of Foldable 3D Microstructures Using Graphene Hinges. Adv. Mater. 2020, 2001303.https://doi.org/10.1002/adma.20200130314. AM:機械引導裝配形成的3D表面的逆設計策略確定性地將材料的2D模式轉換為受控的3D介觀結構，是制造方法的基礎，可以繞開常規3D微型/納米加工的局限性。在這種情況下，引導機械屈曲過程提供了高性能材料中豐富的復雜三維細觀結構，從無機和有機半導體、金屬和電介質，到陶瓷，甚至二維材料（如石墨烯、MoS2）。先前的研究表明，迭代計算過程可以為某些目標3D配置定義設計參數，但無法處理復雜形狀。技術上的需求是高效、通用的逆設計算法，該算法可直接產生優化參數集。于此，清華大學Yihui Zhang、美國西北大學John A. Rogers、黃永剛等人介紹了這樣的方案，其中在分離的或相互連接的碳帶陣列上的厚度分布提供了到具有廣泛目標形狀的3D表面的可縮放路線。具體而言，將所需形狀離散為2D帶狀組件，可以近似地對中心對稱甚至是一般表面的逆設計進行解析解。對≈20種不同的3D結構進行理論，數值和實驗的組合研究，其特征尺寸（例如，色帶寬度）的范圍從≈200μm至≈2cm，幾何結構類似于半球、火氣球、花朵、凹透鏡、鞍面、水滴和嚙齒動物，說明了基本思想。Fan, Z., et al., Inverse Design Strategies for 3D Surfaces Formed by Mechanically Guided Assembly. Adv. Mater. 2020, 32, 1908424.https://doi.org/10.1002/adma.201908424John A. Rogers 教授于1995年在麻省理工學院(MIT)獲得物理化學博士學位，曾在Bell實驗室擔任凝聚態物理研究部主任。從2003開始，Rogers教授在伊利諾伊大學香檳分校擔任材料科學與工程系講席教授。2016年起，擔任美國西北大學材料科學與工程、生物醫學工程和醫學學科Louis Simpson and Kimberly Querrey講席教授，并兼任生物集成電子中心創始主任。John A. Rogers 教授是美國國家科學院、美國國家工程院、美國藝術與科學學院三院院士，同時是美國電氣和電子工程師協會(IEEE)、美國物理協會(APS)和材料研究協會(MRS)等多個權威科學協會會士。此外，他是復旦大學、浙江大學榮譽教授，瑞士聯邦理工學院榮譽博士。他曾獲麥克阿瑟天才獎(2009年) 、麻省理工學院的萊梅爾遜獎(2011年)、美國史密森尼物理科學創造力大獎(2013年)、蘇黎世聯邦理工學院頒發的蘇黎世化學工程獎章(2015年)以及美國機械工程師學會頒發的納戴獎章(2017年)。http://rogersgroup.northwestern.edu/
